Лекція 4. Акумуляторні електронно паливні системи. Електронні системи газообміну двигунів (

3.1.3 Акумуляторні епс

У акумуляторних паливних системах, з урахуванням необхідності імпульсного керування уприскуванням найефективніші електрокеровані форсунки (електромеханічні і електрогідравлічні). Відомі акумуляторні системи низького, середнього і високого тиску.

Акумуляторні паливні системи низького тиску з електромагнітними форсунками для уприскування бензину у впускні канали циліндрів двигуна. На рис. 3.14 представлено варіант акумуляторної паливної системи низького тиску фірми R. Bosch з електромагнітними форсунками для уприскування бензину у впускні канали циліндрів двигуна.

Рис. 3.14. Акумуляторна паливна система низького тиску з електромагнітними форсунками для уприскування бензину у впускні канали циліндрів двигуна: 1 – насос низького тиску; 2 – фільтр; 3 – акумулятор; 4 – електромагнітні форсунки; 5 – виконавчий механізм регулятора тиску

У двигунах з розподіленим уприскуванням палива застосовують як одночасне уприскування палива всіма форсунками, так і фазоване уприскування при якому кожна форсунка подає паливо до циліндра в певній фазі циклу. При одночасному уприскуванні спрощується керування форсунками, але не вдається забезпечити однакові умови сумішоутворення у всіх циліндрах. Фазоване уприскування забезпечує рівні умови сумішоутворення у всіх циліндрах. При цьому для забезпечення стабільності сумішоутворення подачу палива прагнуть закінчити до моменту початку відкриття впускного клапана, але це скорочує можливу тривалість відкриття форсунки. Така організація уприскування вимагає зміни початку подачі палива при зміні величини циклової подачі. Обчислення необхідного моменту початку подачі палива проводиться аналогічно визначенню моменту випередження початку уприскування палива в дизелях.

У системах з центральним уприскуванням палива в зону над дросельною заслонкою величина циклової подачі палива також визначається тривалістю відкриття клапана форсунки. Для забезпечення рівномірного розподілу палива по циліндрах в цьому випадку синхронізують уприскування палива з тактами всмоктування всіх циліндрів.

Акумуляторні паливні системи високого тиску для дизелів. Електронні акумуляторні системи високого тиску для дизелів розроблялися в Росії, починаючи з 1967 р., але серійне їх виробництво почалося за кордоном в 1998 р., де вони одержали англійську назву Common Rail (дослівний переклад – загальна магістраль). На рис. 3.15. представлено схему акумуляторної паливної системи високого тиску з електрокерованими форсунками для уприскування палива в циліндри дизеля.

Рис. 3.15. Схема акумуляторної паливної системи високого тиску з електрокерованими форсунками для уприскування палива в циліндри дизеля

Керування випередженням і тривалістю уприскування здійснюється зміною фази і тривалості електричного імпульсу, що подається мікроконтролером. Фаза керуючих імпульсів встановлюється відповідно до сигналів давачів положення колінчастого і розподільного валів. Один з них використовується звичайно і як давач частоти обертання. Давач положення розподільного валу або адекватний йому давач положення кулачкового валу ПНВТ, необхідний для визначення тактів в чергових циліндрах чотиритактних двигунів. Давач положення колінчастого валу взагалі потрібен тільки для підвищення точності керування випередженням уприскування палива. На визначення положення поршня в циліндрі по положенню розподільного і, тим більше, кулачкового валу ПНВТ впливають похибки передач від колінчастого валу. Тиск уприскування встановлюється безперервним регулюванням тиску в акумуляторі за сигналами давача тиску за рахунок зміни, наприклад, продуктивності ПНВТ. ПНВТ найскладніший і найдорожчий елемент ЕПС. Тому раціональніше використовувати в акумуляторних системах спрощені і надійні нерегyльовані ПНВТ. Фірма R. Bosch в цьому випадку для регулювання тиску використовує (рис. 3.16.) скидання частини палива з магістралі високого тиску.

Рис. 3.16. Схема акумуляторної паливної системи високого тиску фірми R. Bosch: 1 – паливний бак; 2 – попередній фільтр палива; 3 – електропривідний паливно-підкачуючий насос; 4 – фільтр додаткового очищення палива; 5 – паливопроводи низького тиску; 6 – ПНВТ; 7 – паливопроводи високого тиску; 8 – акумулятор; 9 – електрогідравлічна форсунка; 10 – зливні паливопроводи; 11 – мікроконтролер; 12 – виконавчий електромагнітний клапан регулятора тиску в акумуляторі; 13 – клапан обмежувач тиску в акумуляторі; 14 – обмежувачі подачі палива у форсунки; 15 – давач тиску палива в акумуляторі; 16 – давач температури палива на зливі з форсунок

Тиск в акумуляторі адаптивно підтримується оптимальним для кожного режиму роботи двигуна автоматичним регулятором, програмно реалізованим в мікропроцесорі. Регулятор за інформацією, отриманою від давача тиску, підтримуючи заданий тиск шляхом скидання частини палива з магістралі високого тиску через виконавчий електромагнітний клапан представлений на рис. 3.17.

За відсутності тиску в акумуляторі пружина 4 тримає кульковий клапан 1 в закритому стані. При певному тиску в акумуляторі пружина стискається і клапан відкривається. Сила увімкненого електромагніту закриває затвор.

Зміна скидання палива проводиться широтно–імпульсною модуляцією сигналу, що подається на електромагніт, яка може бути доповнена частотно-імпульсною (широко-імпульсна модуляція – зміна відносної тривалості, а частотно–імпульсна – частоти). Модуляція змінює середнє значення відносної тривалості відкритого положення затвора, а, отже, і витрати палива через клапан.

Скидання палива з магістралі високого тиску в бак викликає додаткові втрати енергії, зокрема із–за нагріву палива в баку. Це може привести до необхідності охолодження палива, збільшення ПНВТ і потужності його приводу.

Доцільно регулювання тиску в акумуляторі здійснювати виконавчими механізмами, що діють на всмоктуванні ПНВТ, тобто, в магістралі низького тиску. Оптимально, по співвідношенню складності виконання і якості керування тиском в акумуляторі, регулювання тиску на всмоктуванні ПНВТ зміною частоти обертання паливопідкачуючого насоса, особливо, якщо він має електричний привід. Наявність в акумуляторній ЕПС великої кількості деталей, що постійно знаходяться під високим тиском, об'єктивно створює загрозу аварій при виході їх з ладу. Значний об'єм палива в магістралі високого тиску викликає побоювання достатньо важких наслідків таких аварій. Тому дослідні зразки вітчизняних акумуляторних ЕПС забезпечувалися комплексом аварійних захистів. У його склад входили: електронна система аварійного спорожнений акумулятора при будь–яких нештатних ситуаціях, перш за все при рознесенні двигуна, механічний запобіжний клапан, автоматичне відключення частини магістралі високого тиску, що відноситься до окремої форсунки при зниженні герметичності будь–якого елементу так частини магістралі або відключення хоч би тільки форсунки, в якій надмірно збільшилася загальна витрата палива на уприскування і керування. Автоматичні відключення вийшли ладу елементів магістралі високого тиску підвищують відмовостійкість акумуляторних ЕПС, зберігаючи працездатність її не відключеної частини. Деякі елементи таких комплексів є і у складі акумуляторних ЕПС, призначених для серійних двигунів.

B представленому на рис.3.16 варіанті акумуляторної паливної системи фірми R. Bosch захист від надмірного підвищення тиску палива в магістралі високого тиску виконується обмежувальним (запобіжним) клапаном 13. Конструкція такого клапана показана на рис. 3.18

.

Рис. 3.17. Виконавчий електромагнітний клапан регулятора тиску: 1 – кульковий клапан; 2 – штовхач тарельчастого якоря; 3 – обвитка електромагніту; 4 – пружина; 5 – штепсельний роз'єм.

Рис. 3.18. Пристрій клапана-обмежувача тиску в акумуляторі: 1 – корпус; 2 – регулювальна втулка; 3 – пружина; 4 – поршень.

Нижнім каналом він з’єднаний з акумулятором, а верхнім – із зливною магістраллю. Значення тиску, при якому клапан відкривається, визначається затягуванням пружини, залежної від положення регулювальної втулки. При відкритому клапані паливо з акумулятора зливатися в бак. При зниженні тиску нижче заданого клапан під впливом пружини закривається, і в акумуляторі може бути відновлено початковий тиск.

Для аварійного зниження тиску (запобіжний режим) такий клапан повинен забезпечуватися клямкою, що закріплює його у відкритому положенні. Подача палива в циліндри припиняється, двигун зупиняється і його пуск можливий тільки після розблокування клапана.

Захист від втрати герметичності в каналах подачі палива в циліндри і керування подачею форсунок із–за зависання голки, керуючого клапана, обриву трубопроводу, розкриття стиків тощо і обмеження витрати палива при затримках закриття голки і керуючого клапана, здійснюється обмежувачами 14 (рис. 3.16) витрати палива, встановленими на виходах з акумулятора. Пристрій одного з варіантів обмежувача витрати показаний на рис. 3.19.

Верхнім торцем він вкручений в корпус акумулятора, а до нижнього торця приєднаний паливопровід форсунки. Паливо до форсунки проходить через дроселюючі отвори в нижній частині поршня. На цих отворах створюється перепад тиску, який викликає рух поршня вниз. При надмірній витраті або великій тривалості витрати клапан в обмежувачі повністю закривається. У початкове положення клапан повертається тільки після стравлювання тиску в акумуляторі, тобто після зупинки двигуна.

Можливе виконання обмежувачів витрати, що автоматично повертаються в початкове положення після припинення тривалого уприскування форсунки. Наприклад, при ступінчастій характеристиці затвора.

Акумуляторні паливні системи середнього тиску для безпосереднього уприскування бензину. У бензинових двигунах з іскровим запаленням безпосереднє уприскування в циліндри бензину проводиться при тиску, на порядок меншому, ніж в дизелях. Тому акумуляторні ЕПС безпосереднього уприскування бензинових двигунів простіші, зокрема і по засобах аварійного захисту.

Рис. 3.19. Пристрій обмежувача витрати палива в циліндри і керування подачею: 1–пружина; 2 – регулювальна втулка; 3 – пружина; 4 – поршень

Керування характеристикою вприскування в акумуляторних системах. В більшості випадків в акумуляторних ЕПС використовуються електрогідравлічні форсунки. Керування тривалістю вприскування в цих ЕПС здійснюється алгоритмічно зміною тривалості t_в електричного керуючого імпульсу, що подається МК на електричний клапан форсунки.

На рис. 3.20. подано осцилограми залежності відносного тиску вприскування (p_в – тиск вприскування, p_в – тиск в акумуляторі) від t_в при p_а = const. Форма характеристик вприскування змінюється залежно від тривалості вприскування: близька до трикутної при малих тривалостях керуючого імпульсу; трапецевидна при більших тривалостях цього імпульсу. З ростом тиску в акумуляторі характеристика вприскування збільшується по висоті рис. 3.20, б. В працюючому з сталим навантаженням двигуні регулятор частоти обертання при зміні тиску в акумуляторі змінює тривалість керуючого імпульсу рис. 3.20, в Циклова подача палива залишається при цьому сталою.

Форма електричних керуючих імпульсів вприскування змінюється алгоритмічно модуляцією і представляє собою пакет з трьох типів імпульсів: форсуючі; утримуючі; розмагнічуючі.

Рис. 3.20. Характеристики тиску вприскування електрогідравлічних форсунок в акумуляторній ЕПС при зміні: а – тривалості керуючого імпульсу; б – тиску в акумулятора; в – спільного їх впливу

Імпульсне керування параметрами уприскування палива у вихідному елементі акумуляторної паливної системи – електрокерованих форсунках забезпечує найбільшу ефективність. Акумуляторні паливні системи володіють найбільшими функціональними можливостями.

За конструктивними ж характеристиках вони поступаються деяким іншим системам. Основний недолік акумуляторних паливних систем – можливість зниження гідрощільності стиків в магістралях високого тиску. Це утрудняє підвищення тиску уприскування. Необхідне підвищення тиску уприскування палива в перспективних моделях двигунів до 250 – 300 МПа. Поки ж в акумуляторних системах досягнуто тиску 180 МПа. Це стримує широке застосування акумуляторних паливних систем. Проте зарубіжні двигуновиробні фірми з 1998 р. мають в своїй номенклатурі моделі двигунів з акумуляторними ЕПС, оскільки вони відповідають екологічним вимогам не тільки EURO III, але і EURO IV і EURO V.